重型货车用长寿命轻量化蠕墨铸铁制动鼓的研究

余豫栋

广西玉柴机器配件制造有限公司 广西玉林 537005

鼓式制动系统因其结构简单、造价便宜和制动功率大等优点，长期以来都是重型货车上使用最广泛的制动系统。随着我国国民经济的高速发展，国内交通运输业面临着持续提高运输效率的挑战。在兼顾制造成本的前提下，市场对商用重型货车平均运营时速、运营里程及运营区域不断提出新的要求。但是，鼓式制动系统存在散热能力较差的缺点，特别是在山区工况下，客户给鼓式制动系统私自加装淋水器，更是加速鼓式制动器中制动鼓零件在“三包”期内提前损坏，给重型货车生产企业造成异常的质量赔付。

某重型货车主机厂装配457驱动桥的灰铸铁材质制动鼓，在西南区域山区工况环境下（客户普遍私装淋水器），“三包”赔付率达40%，主机厂尝试过多种技术方案都无法解决问题，急需研究产品失效原理，并在不大幅提高车辆制造成本的基础上，找到解决方案。

制动鼓失效原因分析

主机厂目前在457驱动桥上配套使用HT250材质的制动鼓，零件主要工作区域壁厚20mm，质量58.15kg，现行“三包”政策保修6个月。西南山区工况下，客户普遍给制动系统加装淋水器和“刹车王”，制动鼓零件使用中产生制动异响或制动力不足后，车主将车辆开至服务站要求检修，并对检查有故障的制动鼓进行更换。对683个故障制动鼓进行分析，使用寿命均小于4个月，行驶里程0.8万～2.7万km。具体失效原因见表1。

表1 制动鼓失效原因分析

车辆在制动瞬间，工作部位承受压力和摩擦力，零件总体承受拉力。制动时，车辆动能转化成热能，其中90%的热能由制动鼓吸收。重载车辆在山区长时间制动过程中，制动鼓温度可以升至700℃，局部温度可达900℃，达到铸铁的相变温度。同时，客户在刹车同时给制动系统淋水，导致制动鼓内、外表面温差极大，致使制动鼓处于严重的热疲劳状态。铸件材料在不同温度下的膨胀系数有明显差异，制动鼓内外表面温差产生严重的膨胀应力。客户改装刹车气压，也使得制动鼓长期处于高应力状态，以上多重因素叠加，造成制动鼓在三包期内异常故障的情况。

新型蠕墨铸铁制动鼓设计

1.重型货车用制动鼓功能及材质的要求

1）材料要求有良好的摩擦系数及耐磨性能，满足制动系统的制动需求。

2）材料要求有良好导热性能和热疲劳性能，能将制动产生的热量及时传导出去，尽可能减小零件各处温度的差异，并减小热膨胀差。良好的热疲劳性能，才能抑制反复制动时制动鼓反复加热、冷却所带来的热疲劳损伤。

3）制动鼓结构及材料有足够的高温机械强度，承受重型货车刹车时强烈的机械冲击。材料的高温机械强度越好，制动鼓的壁厚可以越薄，越能减少热传导带来的热力梯度，减小材料在不同温度下热膨胀系数差异带来的应力。

2.制动鼓结构及材料分析及选择

（1）结构选择 重型货车上常用的制动鼓结构有单金属鼓和双金属复合鼓。双金属复合鼓使用钢材等高强度高延伸率材料做外壳，内部使用灰铸铁等材料作为摩擦材料，虽然能解决制动鼓破裂失效的故障，但是在实际使用中，双金属复合鼓存在制动变形大和制动力不足的情况。同时，双金属复合鼓的制造工艺相对复杂，提高制造成本。相对来说，单金属鼓是合适的选择。

（2）材料选择 根据调查，国内重型货车在鼓式制动器上，普遍使用灰铸铁HT200、HT250材质的单金属鼓；少数主机厂开展过蠕墨铸铁单金属鼓的应用验证，但是没有广泛推广；也有制动鼓生产厂家试验过球墨铸铁制动鼓，但是最终没有取得效果。

从材料性能角度考虑，蠕墨铸铁材料是最适合单金属制动鼓的材料。在车辆连续制动下，制动鼓零件急剧升温，灰铸铁材料的高温力学性能极差（见表2）。蠕墨铸铁摩擦系数优于灰铸铁和球墨铸铁，磨损率略高于球墨铸铁，远优于灰铸铁，蠕墨铸铁的耐磨性是灰铸铁的3倍以上（见表3）。蠕墨铸铁在关键的热疲劳性能上，略优于球墨铸铁，远优于灰铸铁（3倍以上）。蠕墨铸铁导热率略低于灰铸铁，远高于球墨铸铁（见表4），虽然蠕墨铸铁导热率略低于灰铸铁，但是蠕墨铸铁可以根据自身材料强度高的优点，可以减薄零件壁厚，最终蠕墨铸铁制动鼓的散热能力优于灰铸铁制动鼓。

表2 铸铁高温性能

表3 铸铁的磨损率及摩擦系数

表4 铸铁在各温度下热导率

表5 铸铁的磨损率及摩擦系数

从表5可知，当蠕墨铸铁蠕化率≥50%的耐热疲劳性能明显优于蠕化率≥80%.。适中的蠕化率也利于产品批产时的质量控制。

制动鼓结构设计及分析计算

1.结构设计

选用RuT450材质（蠕化率50%）对原制动鼓产品结构进行轻量化设计，各部分壁厚优化数据见表6，优化部位如图1所示。

表6 制动鼓的结构优化减重

图1 制动鼓优化减重示意

2.CAE分析计算

根据制动鼓仅考虑力、综合工况、刚度工况进行建模，从计算结果看（见表7），材料和结构改进后的RuT450制动鼓先对比原来HT250制动鼓，质量减轻14.2kg，轻量化率提升24.27%。综合工况下安全系数从1.3提升至1.6，提高23.08%，刚度位移基本保持不变。

表7 制动鼓有限元分析及减重结果

蠕墨铸铁制动鼓制造

改进型制动鼓产品使用铁型覆砂工艺进行铸坯。铁型覆砂工艺可以改善铸件浇筑时的冷却条件，使铸件材料更致密，减少疏松等缺陷产生。铁水采用电路单炉熔炼，原铁水C含量3.85%～4.1%，Si含量2.3%～2.7%，S含量＜0.02%，Cu含量0.3%～0.5%，Mn含量0.3%～0.5%，Cr含量＜0.1%，P含量＜0.05%，Sn含量0.02%～0.035%。蠕化处理采用常用的冲入法，采用进口蠕化剂和国产稀土蠕化剂混合装包蠕化，蠕化剂加入量根据铁水S含量在0.25%～0.4%进行调整，蠕化处理温度在1490～1530℃。从蠕化开始到浇注结束控制在8min完成，每包铁水浇注6箱，浇注结束后15～25min开箱。对产品本体样件解剖和加工验证，内部超声波检验，均未发现明显铸造缺陷。多件毛坯本体及试块进行检验，材料力学性能及金相满足设计要求（见表8）。

表8 制动鼓本体、试验性能检验结果

蠕墨铸铁制动鼓验证

1.台架试验

邀请第三方检测单位，参照《QC/T 239—2015商用车辆行车制动器技术要求及台架试验方法》及《QC/T 316—2017汽车行车制动器疲劳强度台架试验方法》标准，对优化后的蠕墨铸铁制动鼓进行刚性、制动性、磨损及疲劳试验，结果满足国家标准要求。

2.场地试验

联合重型货车主机厂，参照《GB12676—2014商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法》，对原车配套的灰铸铁制动鼓及优化后蠕墨铸铁制动鼓进行场地试验，结果满足标准要求。其中制动总效果由原来的78.5%提升至89.3%（提高13.77%），提升明显，在侧滑性能与制动稳定性方面也有改善。

3.小批投放市场验证

完成台架及差点试验后，在西南山区小批投放市场80件轻量化蠕墨铸铁制动鼓零件，并在6个月后进行回访，收集到63件产品的有效售后信息（见表9）。63件产品中，最长行驶里程8.8万km，最短行驶里程5.7万km，无一开裂失效。

表9 制动鼓售后里程统计

对行驶里程超过8万km的7件制动鼓进行拆检，7件制动鼓摩擦面均产生明显的龟裂，并有4件制动鼓，因制动蹄和刹车片的原因，产生长度不等异常磨损痕。将龟裂纹最深的1件制动鼓返厂进行解剖检测（见图2），龟裂纹深度约0.6mm，异常磨损痕迹深度1.2mm。

图2 售后制动鼓磨损照片（≥8万km）

结语

检查结果证明，重型货车用鼓式制动器在山区频繁制动，并使用淋水器的工况下产生足以引起铸铁相变的高温，而蠕墨铸铁制动鼓凭借自身优良的抗热疲劳性能和导热性能，能有效延缓裂纹产生及裂纹产生后的扩展，有效解决了重型货车用制动鼓在西南山区三包故障率异常问题。选择合理的蠕化率，既能满足耐磨性要求，又能利于铸件批量生产的质量控制和成本控制。同时，零件结构采取轻量化设计，既能实现整车减重，又能有效控制蠕墨铸铁总体制造成本，达到主机厂与客户的双赢。